1. 1. Fsica Tema 3 1 2 Bachillerato Interaccin nuclear. Radiactividad IES Portada Alta - Luis Garrido Tema 3 INTERACCIN NUCLEAR. RADIACTIVIDAD 1.- Estructura del tomo. El ncleo. Tamao y unidades atmicas 2.- Defecto de masa. Energa de enlace por nuclen 3.- Fuerzas nucleares. 4.- Radiactividad natural. Radiaciones emitidas 5.- Procesos nucleares artificiales. Radiactividad artificial 6.- Ley de desintegracin. Constante radiactiva. Actividad 7.- Efectos y medida de las radiaciones 8.- Aplicaciones de los radioistopos 9.- Reacciones nucleares. Clasificacin 10.- Reacciones de fisin y fusin nuclear 11.- Reactores nucleares 12.- Problemas que plantea la energa nuclear 13.- La energa nuclear en Espaa
2. 2. Fsica Tema 3 2 2 Bachillerato Interaccin nuclear. Radiactividad IES Portada Alta - Luis Garrido 1.- NCLEO ATMICO Un tomo consta de ncleo y corteza. En el ncleo hay protones (carga +) y neutrones (sin carga); en la corteza hay electrones (carga -). Carga del protn = carga del electrn = 1,6.10-19 C. Nmero atmico Z es el nmero de protones que contiene el ncleo de un tomo. Nmero msico A es la suma de los protones y neutrones que contiene el ncleo. Un ncleo se caracteriza por A, Z y la energa que posea, y lo designaremos por Z A X . Los protones y neutrones reciben el nombre genrico de nucleones. Istopos son nclidos con el mismo nmero atmico y distinto nmero msico; es de- cir, con igual nmero de protones y distinto nmero de neutrones. Isbaros son nclidos de igual nmero msico y distinto numero atmico. El tamao del ncleo est relacionado con su n msico (A): R = r A0 1 3 . Dicha relacin se ha confirmado experimentalmente, y ro vale 1,2.10-15 m. La masa de tomos y ncleos se mide empleando la unidad de masa atmica, u.m.a., que se designa por u y se define como la doceava parte de la masa que tiene el tomo de carbono de nmero msico 12. 1 u.m.a. = 1,66.10-27 kg Las masas del protn, neutrn y electrn, expresadas en ambas unidades, son: mp = 1,673.10-27 kg = 1,0073 u mn = 1,675.10-27 kg = 1,0087 u me = 9,110.10-33 kg = 5,486010-4 u La unidad de energa, en fsica atmica, es el electrn-voltio, eV, que se define como la energa que adquiere un electrn, inicialmente en reposo, cuando se traslada de un punto a otro entre los que existe una diferencia de potencial de un voltio. W = q(V-V) Su equivalencia en julios es: 1 eV = 1,6.10-19 C 1V = l,6.10-19 J ; 1 MeV = 1,6.10-13 J. La expresin dada por Einstein E = mc2 relaciona las magnitudes masa y energa. A partir de esta expresin se deduce que: 1u.m.a. = 931 MeV. masa de un mol de tomos de 12 C = 12 g = 12.10-3 kg masa de un tomo de 12 C = 12.10-3 /6,02.1023 kg = 1,99.10-26 kg u.m.a. = 1,99.10-26 /12 = 1,66.10-27 kg EE == mmcc22 = 1 u (3.108 m/s)2 = 1,66.10-27 kg (3.108 m/s)2 E = 1,49.10-10 J = 1,49.10-10 J 1 eV/1,6.10-19 J = 9,31.108 eV 1 u.m.a. = 9,31.108 eV = 931 MeV
3. 3. Fsica Tema 3 3 2 Bachillerato Interaccin nuclear. Radiactividad IES Portada Alta - Luis Garrido 2.- DEFECTO DE MASA. ENERGA DE ENLACE POR NUCLEN La masa experimental o real del ncleo de 4 He , medida con el espectrmetro de masas, resulta ser de 4,002603 u (*), diferente de la masa terica calculada sumando la masa de sus nucleones, (2mp + 2mn) = 4,031884 u. (*) A todos los efectos, el valor de la masa nuclear se toma igual al de la masa atmica La diferencia entre la masa terica y la experimental es el defecto de masa: m = 0,029281 u. A ese defecto de masa se asocia un defecto de energa: E = mc2 = 27,26 MeV. Este defecto de energa se interpreta como la energa que se libera al formarse el ncleo del tomo a partir de sus partculas elementales, o bien, como la energa que tenemos que dar a dicho ncleo para separarlo en sus partculas elementales, y se le denomina energa de ligadura o energa de enlace del ncleo. Si dividimos la energa de ligadura por el nmero de nucleones del nclido, obtendre- mos la energa de enlace media por nuclen en este nclido, E/A, que representa la energa media necesaria para extraer un nuclen del ncleo. Segn la grfica, al aumentar el nmero msico A, la energa de enlace por nuclen no vara mucho, excepto para los nclidos ligeros, por lo que la curva casi constante, vara entre 7,5 y 8,5 MeV, con un mximo para valores cercanos a 60, de los nclidos con ms estabilidad nuclear, con mayor energa de ligadura. Esta energa de enlace de los nucleones es del orden del MeV, mientras que la energa de enlace de los electrones de un tomo con respecto a su ncleo es del orden del eV. Esta diferencia explica que se obtenga mucha ms energa de las reacciones nucleares que de las qumicas.
4. 4. Fsica Tema 3 4 2 Bachillerato Interaccin nuclear. Radiactividad IES Portada Alta - Luis Garrido 3.- FUERZAS NUCLEARES Si en el ncleo hay Z cargas positivas en un espacio esfrico, cuyo radio es del orden de 10-15 m, cmo es posible que el ncleo sea estable y no se desintegre por el efecto de la repulsin electrosttica entre las cargas positivas? Para contestar es necesario postular la existencia de la interaccin nuclear fuerte, de tipo atractiva y que acta entre cada par de nucleones de forma independiente de que tengan o no carga elctrica y de cul sea su signo. Esta interaccin nuclear fuerte es la responsable de la estabilidad nuclear; es decir, mantiene a los quarks unidos en el protn y en el neutrn, y a los protones y neutrones en el ncleo. Las fuerzas nucleares renen una serie de condiciones experimentales: a) Son de naturaleza distinta de las conocidas hasta ahora. b) Son muy fuertes, capaces de vencer la repulsin electrosttica entre protones. c) Son de muy corto alcance, pues su accin es nula a distancia mayor de 10-14 m. d) Las fuerzas nucleares se saturan; esto significa que un determinado nuclen no puede interaccionar simultneamente con nmero ilimitado de nucleones, sino slo con un pequeo nmero de ellos, los ms prximos. En consecuencia, la densidad nuclear es constante. Recordemos que las fuerzas gravitatorias y electromagnticas ni se saturan ni tienen un alcance limitado, puesto que una partcula, por su masa o por su carga, interacciona con cualquier otra partcula presente en el sistema y, adems, a cualquier distancia. Tambin se conoce la interaccin nuclear dbil, responsable de la desintegracin de los neutrones; es decir, de la desintegracin beta. Comparemos la intensidad de los cuatro tipos de interacciones: Fuerte (1) > Electromagntica (10-2 ) > Dbil (10-5 ) > Gravitatoria (10-38 ) Muchos grandes fsicos han dedicado tiempo y esfuerzo a la elaboracin de una teora de campo unificado, una teora que d cuenta de las cuatro clases de interacciones con un mismo conjunto de principios. Einstein, por ejemplo, dedic la mayor parte de los ltimos aos de su vida a un infructuoso intento de aportar esta clase de unificacin a la fsica. La bsqueda de una teora tal pervive entre los fsicos tericos, y la esperanza de la teora del campo unificado es que un da se encontrarn conexiones en todas las inter- acciones.
5. 5. Fsica Tema 3 5 2 Bachillerato Interaccin nuclear. Radiactividad IES Portada Alta - Luis Garrido 4.- RADIACTIVIDAD NATURAL. RADIACIONES EMITIDAS La radiactividad natural es un proceso espontneo en el que un nclido inestable se des- compone, dando lugar a otro nclido ms estable y emitiendo una radiacin. Descubier- ta por Becquerel, en 1896, en las sales de uranio. Pierre y Marie Curie descubrieron en la pecblenda otros dos elementos radiactivos: polonio y radio. La radiactividad es una propiedad nuclear y se presenta con independencia del compues- to del que forma parte el tomo radiactivo. Existen ms de 100 istopos radiactivos na- turales. Son radiactivos todos los istopos a partir del polonio Z = 84. Radiaciones emitidas. Leyes de Soddy Los ncleos radiactivos emiten espontneamente tres clases distintas de radiaciones: , y . La emisin de radiaciones se conoce como decaimiento. a) La naturaleza de las partculas se determin con el espectrgrafo de masas; son ncleos de helio, es decir, la radiacin est constituida por partculas de masa 4 u, y carga positiva igual a dos veces la carga del electrn. Cuando un nclido emite una partcula , su nmero msico disminuye en 4 unida- des y su nmero atmico en 2: YX A Z A Z 4 2 b) De la radiacin , se conocen dos tipos, la y la + , segn que lo que se emita sea respectivamente un electrn o un positrn (partcula igual que el electrn pero de carga positiva). Los electrones que constituyen la radiacin provienen del ncleo, por una trans- formacin de un neutrn en un protn y un electrn, ms un antineutrino, partcula postulada para que se conservara el momento y la energa en este tipo de radiaciones, y cuya existencia se comprob ms tarde: n p e + + . Cuando un nclido emite una radiacin , su nmero msico no vara y su nmero atmico aumenta en una unidad: Z A Z A X Y ++ 1 La desintegracin se produce en istopos de ncleos ligeros cuyo nmero msico es superior al de los istopos estables de esos mismos elementos. c) La radiacin no tiene naturaleza corpuscular; se trata de una radiacin electromag- ntica, emitida al desexcitarse el ncleo para volver a su estado fundamental, proceso anlogo al que ocurre al desexcitarse un electrn en el tomo, si bien en este caso la frecuencia de las radiacin emitida es mucho menor que en la radiacin . XX A Z A Z * , siendo * XA Z un estado excitado del ncleo.
6. 6. Fsica Tema 3 6 2 Bachillerato Interaccin nuclear. Radiactividad IES Portada Alta - Luis Garrido 5.- PROCESOS NUCLEARES ARTIFICIALES. RADIACTIVIDAD ARTIFICIAL La radiactividad natural sugiere que los ncleos atmicos son estructuras complejas, y es lgico realizar su estudio bombardendolos con proyectiles naturales, tales como las mismas partculas emitidas por los ncleos radiactivos. De esa forma se pueden con- seguir transmutaciones (procesos) nucleares artificiales. Rutherford en 1911, al estudiar la difusin de partculas por el nitrgeno, observ la formacin de un istopo del oxgeno y la presencia de partculas que se identificaron como protones: 7 14 2 4 8 17 1 1 N He O H+ + Bothe y Becker en 1930, bombardearon berilio con partculas procedentes de una fuente de polonio, obteniendo un tipo de rayos muy penetrantes, identificados por Chadwick como una nueva partcula, el neutrn: 4 9 2 4 6 12 0 1 Be He C n+ + Con el fin de obtener partculas con elevada energa para ser utilizadas como agentes bombardeantes se utilizan los llamados "aceleradores de partculas", como el ciclotrn (protones) y el betatrn (electrones). Las transformaciones nucleares artificiales conducen con frecuencia a la obtencin de ncleos que no se encuentran en la naturaleza; tales ncleos son inestables y se desinte- gran mediante un proceso al que se llama radiactividad artificial. El primer fenmeno de este tipo fue descubierto por Joliot-Curie en 1934, pues al bombardear aluminio con partculas detectaron neutrones, pero observaron adems que, despus de cesar el bombardeo, el aluminio pareca ser radiactivo. En realidad lo que ocurra es que el fsforo producido es inestable y se desintegraba emitiendo un posi- trn: 13 27 2 4 15 30 0 1 Al He P n+ + ; 15 30 14 30 1 0 P Si e* ++ La emisin de positrones es una posibilidad exclusiva de los radioelementos (elementos radioactivos artificiales), pues los naturales slo emiten partculas y electrones. Se han obtenido prcticamente radioistopos de todos los elementos naturales, unos emisores de electrones y otros de positrones, con su perodo caracterstico. "Nuestros ltimos experimentos han puesto de manifiesto un hecho sorprendente: cuan- do una lmina de aluminio es irradiada mediante una preparacin de polonio, la emi- sin de positrones no cesa inmediatamente despus de separar la preparacin activa. La lmina sigue radiactiva y la emisin de radiacin disminuye exponencialmente como si se tratara de un radioelemento ordinario". (Palabras de Irene Curie y Frederic Joliot)
7. 7. Fsica Tema 3 7 2 Bachillerato Interaccin nuclear. Radiactividad IES Portada Alta - Luis Garrido 6.- LEY DE DESINTEGRACIN. CONSTANTE RADIACTIVA. ACTIVIDAD Supongamos que en un instante dado existen N0 nclidos iguales y que se desintegran mediante un solo tipo de proceso radiactivo. Al cabo de un tiempo t, el nmero de n- clidos N que an permanecern sin desintegrar ser proporcional al nmero inicial de nclidos N0 y al tiempo de desintegracin t. Matemticamente lo expresamos as: t eNN = .0 (*) es la constante radiactiva, que representa la probabilidad de desintegracin en un se- gundo, y depende del nclido y del tipo de desintegracin. El valor inverso de se llama vida media, ( = 1/) y mide la duracin de un ncleo, por trmino medio, antes de des- integrarse. La ley N N e t = 0 es de natura- leza estadstica, aplicable cuando N0 es muy grande, y se refiere al conjunto de ncleos, pero no a cada uno en particular; no se pue- de conocer cules van a desinte- grarse en un segundo, aunque s podemos saber cuntos lo harn. Perodo de semidesintegracin o semivida (T) es el tiempo necesario para que el n- mero inicial de nclidos se reduzca a la mitad. Por tanto, si en (*) sustituimos N por N0/2, y t, por el perodo de semidesintegracin T: N N e T0 0 2 = ln ln N N e T0 0 2 = 2ln =T Ejemplos: min05,3Po218 = ; das1,24Th234 = ; aosRa 1600226 = Actividad radiactiva (A) de una muestra es el nmero de desintegraciones que experi- menta la muestra por segundo, y es igual al producto del nmero de ncleos que en un cierto t tiempo quedan sin desintegrar (N) por la probabilidad de desintegracin en un segundo () ; es decir: NA = . La unidad de actividad en el S.I. es el becquerel (Bq) = 1 desintegracin / s. En radiologa se usa el curio (Ci) = 3,7.1010 Bq. 0 T 2T 3T 4T 5T 6T N0/2 N0/4 N0/8 N0 N0/16 N0/32
8. 8. Fsica Tema 3 8 2 Bachillerato Interaccin nuclear. Radiactividad IES Portada Alta - Luis Garrido 7.- EFECTOS Y MEDIDA DE LAS RADIACIONES Se llaman radiaciones ionizantes las que son capaces de ionizar la materia con la que inciden, es decir arrancar electrones de la corteza de sus tomos. Son radiaciones ioni- zantes las radiaciones , , y los rayos X. Esas radiaciones ionizantes actan sobre los organismos vivos por ionizacin de sus molculas celulares, produciendo efectos biolgicos que dependen de la dosis absorbida, de las condiciones en que ha sido recibida y de su duracin. Existen dos clases de efectos biolgicos: Somticos: se manifiestan en el individuo irradiado (cncer, leucemia); sus conse- cuencias dependen del rgano irradiado; los daos pueden aparecer rpidamente pa- ra dosis elevadas e instantneas. Genticos: lesionan clulas reproductoras y pueden originar mutaciones en la des- cendencia. Para medir los efectos de las radiaciones en los seres vivos se tiene en cuenta la energa absorbida por unidad de masa (dosis absorbida cuya unidad es el Gray, 1Gy = 1J/kg), el tipo de radiacin y la naturaleza del tejido irradiado. Todo ello se engloba en el con- cepto de "dosis efectiva" (o simplemente dosis), cuya unidad es el Sievert (1Sv = 1J/kg), y en radiologa el rem (1rem = 10-2 Sv). Dosis efectiva de radiacin, por persona y ao (en mSv) Radiacin Csmica 0,35 Pruebas Radiolgicas 1.00 Propio cuerpo 0,34 Exposicin profesional 0,02
9. 9. Fsica Tema 3 9 2 Bachillerato Interaccin nuclear. Radiactividad IES Portada Alta - Luis Garrido 8.- APLICACIONES DE LOS RADIOISTOPOS a) En agricultura y alimentacin: Obtencin de cultivos de alto rendimiento y produccin de especies vegetales resis- tentes a enfermedades. Combate y erradicacin de plagas. Mejora de sistemas de riego, comprobacin del grado de absorcin de abonos. Conservacin de alimentos, como alternativa a la tcnica del fro (criogenia). b) En medicina: Con fines diagnsticos, la resonancia magntica obtiene imgenes de rganos del cuerpo humano utilizando ncleos de tritio. Con fines teraputicos se tratan tumores en potentes unidades de irradiacin con Co60 , de periodo de semidesintegracin de unos cinco aos. Esterilizacin de medicamentos y equipo instrumental mdico. c) En arqueologa y obras de arte: Datacin de fsiles y restos arqueolgicos mediante el istopo C14 . Restauracin de obras de arte y conservacin contra hongos y carcoma. Verificacin de autenticidad y fecha de realizacin. d) En industria: Obtencin de imgenes (gammagrafa) de estructuras internas para inspeccin de soldaduras y estudio del desgaste de piezas y engranajes. Deteccin de fugas y medidas de nivel de lquidos en tuberas y depsitos. Medidas de espesores y densidades de lminas plsticas, metlicas, papel... Anlisis cuantitativos de dosificacin del agua en hormigones o en suelos. e) Generacin elctrica:
10. 10. Fsica Tema 3 10 2 Bachillerato Interaccin nuclear. Radiactividad IES Portada Alta - Luis Garrido En los generadores isotpicos de electricidad las radiaciones emitidas por el radiois- topo generan calor que se convierte en corriente elctrica mediante termopares. Se usan en los satlites y naves espaciales, para alimentar aparatos de observacin en lu- gares inaccesibles y en los marcapasos. f) Como trazadores: Se introducen istopos radiactivos en pequeas cantidades en ciertos cuerpos y se si- gue su huella o "traza". Esta tcnica se aplica en los siguientes campos: En metalurgia, para estudiar condiciones de deterioro de mezclas. En hidrulica para seguir el transporte de lquidos y conducciones. En agricultura, y en qumica para estudiar el mecanismo de reacciones. En medicina, en tareas de deteccin, diagnstico y localizacin, pues permiten se- guir la penetracin, fijacin y eliminacin de elementos en el cuerpo humano: absor- cin de insulina en diabticos, asimilacin del calcio...
11. 11. Fsica Tema 3 11 2 Bachillerato Interaccin nuclear. Radiactividad IES Portada Alta - Luis Garrido 9.- REACCIONES NUCLEARES. CLASIFICACIN Una reaccin nuclear puede describirse: a X Y b+ + , o bien ( )X a b Y, , donde X e Y son los ncleos pesados inicial y final; a es la partcula o ncleo ligero con el que se bombardea, y b es la partcula o ncleo ligero que se emite. En una reaccin nuclear se conservan el nmero atmico y el nmero msico. Podemos clasificar las reacciones nucleares en los siguientes tipos: a) TRANSMUTACIN: a y b son partculas o ncleos ligeros diferentes. b) DISPERSIN: a = b, X = Y, que puede ser elstica, si el ncleo Y queda en estado normal, o inelstica si queda en estado excitado Y* , que posteriormente puede desex- citarse por emisin . c) FOTONUCLEAR: Si a es un fotn (rayo ). d) CAPTURA RADIACTIVA: Si a queda absorbido por el ncleo X, y b es un fotn (rayo ). e) PROCESO RADIACTIVO: Sin necesidad de proyectil a, el ncleo X se desintegra, y en tal caso, b es su emisin caracterstica, e Y el ncleo hijo que puede ser estable o a su vez inestable. f) FISIN: Tras el impacto de a, el ncleo X se divide en dos fragmentos de masas in- termedias. g) FUSIN: a y X son ncleos que se funden para dar lugar a otro ncleo Y ms pesado. Observando la curva que representa la energa media de enlace por nuclen en funcin del nmero de nucleones (apartado 2), podemos prever que los ncleos pesados tendern a ser ms estables partindose (fisin) en dos, de tamao aproximadamente igual a la mitad de la masa del ncleo escindido. Por otro lado, los ncleos ligeros tendern a unirse entre s para formar uno ms pesado y conseguir as mayor estabilidad, dando lugar a la fusin. Hemos de tener en cuenta que, para que se produzca fusin o fisin, es necesario dar una cierta energa de activacin.
12. 12. Fsica Tema 3 12 2 Bachillerato Interaccin nuclear. Radiactividad IES Portada Alta - Luis Garrido 10.- REACCIONES DE FISIN Y FUSIN NUCLEAR Fisin: un ncleo pesado captura un neutrn lento o trmico, de poca energa 1 eV (si fuese un neutrn rpido, con energa entre 104 eV y 1MeV, el choque sera els- tico y no se producira su captura por parte del ncleo pesado), y se escinde en dos fragmentos de tamao comparable y aproximadamente igual a la mitad de su masa. Por ejemplo, la fisin del 92 235 U : neutrones32YXnU 1 0 235 92 +++ Los productos de fisin X e Y son istopos radiactivos y pueden ser muy variados; los ms habituales son 56 140 Ba y 36 93 Kr ; 54 140 Xey 38 93 Sr ; 58 144 Ce y 38 90 Sr . Los neutrones resultantes de la fisin son neutrones rpidos, pero reducen su veloci- dad por choques con un moderador (grafito, agua pesada) hacindose trmicos y produciendo nuevas escisiones en otros ncleos, originando una reaccin en cadena. La reaccin de fisin del 92 235 U es exotrmica, pues la masa del uranio es mayor que la suma de las masas de los productos, existiendo por tanto un defecto de masa al que corresponde una cierta energa que se libera. Alrededor de la mitad de esa ener- ga se convierte en energa cintica de los neutrones resultantes de la fisin (neutro- nes rpidos) y en energa de los rayos gamma emitidos. Por trmino medio se libera una energa de 208 MeV por ncleo de uranio fisionado. De la fisin de 1 gramo de uranio se pueden obtener 24 MWh (1 MWda). Si la energa liberada se produce en fraccin de segundos ser de modo explosivo, dando lugar a la bomba atmica. Fusin: unin de ncleos ligeros para dar ncleos ms pesados liberando energa en el proceso. Por ejemplo, la reaccin de fusin de cuatro ncleos de hidrgeno para dar un ncleo de helio: 0 1 4 2 1 1 24 ++ eHeH La fusin tiene lugar espontneamente en el sol y en las estrellas, donde las tempera- turas son del orden de 106 K y, consecuentemente, hay una agitacin trmica tan elevada que permite a los ncleos de hidrgeno fusionarse, venciendo la repulsin elctrica que hay entre ellos, para formar ncleos de helio. En los aos cincuenta, se consigui el proceso de fusin en cadena en forma explo- siva (bomba H). Para ello, una explosin atmica ordinaria (de fisin) consigui las altsimas temperaturas necesarias para lograr la fusin de dos ncleos de deuterio, o bien cuatro de hidrgeno en un ncleo de helio. Desde el punto de vista energtico, la fusin produce una cantidad de energa entre siete y ocho veces mayor que la producida por fisin, a partir de iguales cantidades de material nuclear empleado (1 1 H o 92 235 U ). Por otro lado, la fusin no contamina, no produce residuos radiactivos y, adems, el combustible (hidrgeno) es prcticamente inagotable. Sin embargo, a pesar de estas perspectivas tan favorables, el proceso todava no est controlado a gran escala. Las principales dificultades prcticas para conseguir la fusin son: - Lograr las altas temperaturas necesarias, lo que requiere una fisin previa. - Mantener aislada la masa de reaccin, para lo que se ensaya con confinamien- to magntico
13. 13. Fsica Tema 3 13 2 Bachillerato Interaccin nuclear. Radiactividad IES Portada Alta - Luis Garrido 11.- REACTORES NUCLEARES Son dispositivos destinados a mantener una reaccin controlada de fisin en cadena, con la consiguiente produccin de energa cintica que en ltimo trmino se libera en forma de calor. Un reactor consta de los siguientes elementos: a) NCLEO, donde se sita el combustible ( UUU 239238235 ,, ) b) MODERADOR de neutrones rpidos, como grafito, agua pesada; no existe en los reactores rpidos que funcionan con neutrones rpidos. c) REFLECTOR de neutrones, material que rodea el ncleo evitando la salida de neu- trones al exterior. d) REFRIGERANTE o extractor del calor producido: CO2 , H2O, D2O, sodio lquido, y en general sustancias poco absorbentes de neutrones. e) ELEMENTOS DE CONTROL Y SEGURIDAD, consistentes en unas barras de cad- mio o boro, fuertes absorbentes de neutrones, que introducidas a voluntad en el n- cleo regulan la reaccin de fisin e incluso pueden detenerla. f) BLINDAJE del reactor para proteger el exterior de emisiones radiactivas. Los reactores nucleares pueden clasificarse segn: a) El MATERIAL FISIBLE reactores de uranio; plutonio; urano enriquecido... b) La DISPOSICIN DEL COMBUSTIBLE Y MODERADOR reactores homog- neos, si el combustible est disuelto en el lquido moderador, y la disolucin hace de refrigerante; reactores heterogneos, si el combustible (uranio envasado en vainas) est rodeado por el moderador. c) La VELOCIDAD DE LOS NEUTRONES EMPLEADOS reactores rpidos y reac- tores trmicos (lentos). d) El MODERADOR UTILIZADO reactores de agua ligera, agua pesada, grafito. e) Las APLICACIONES reactores de potencia, para producir energa elctrica; reac- tores de investigacin, para obtener neutrones que se usarn en la produccin de ra- dioistopos. El llamado Reactor Reproductor (o reactor rpido), no utiliza moderador para los neu- trones, y el combustible de la zona central se rodea de uranio empobrecido (rico en 238 U ), que se va convirtiendo en 239 Pu (fsil) al ser alcanzado por los neutrones rpi- dos, producindose simultneamente energa y combustible nuevo.
14. 14. Fsica Tema 3 14 2 Bachillerato Interaccin nuclear. Radiactividad IES Portada Alta - Luis Garrido ESQUEMA DE UNA CENTRAL NUCLEAR TIPO BWR (agua en ebullicin) 1 Ncleo 5 Vasija 9 Condensador 2 Barras de control 6 Turbina 10 Agua de refrigeracin 3 Separador 7 Alternador 11 Contencin primaria de acero 4 Vapor 8 Bomba de condensado 12 Contencin de hormign armado ESQUEMA DE UNA CENTRAL NUCLEAR TIPO PWR (agua a presin) 1 Ncleo 5 Vasija 9 Condensador 2 Barras de control 6 Turbina 10 Agua de refrigeracin 3 Generador de vapor 7 Alternador 11 Contencin de hormign armado 4 Presionador 8 Bomba de condensado
15. 15. Fsica Tema 3 15 2 Bachillerato Interaccin nuclear. Radiactividad IES Portada Alta - Luis Garrido 12.- PROBLEMAS QUE PLANTEA LA ENERGA NUCLEAR Problemas tecnolgicos, pues si bien los principios en que se basa el proyecto de un reactor estn bien establecidos, quedan aspectos tcnicos no bien resueltos como la ob- tencin de elevadsimas temperaturas mediante el cambiador de calor, para obtener ma- yor eficiencia trmica (de la energa trmica producida en el ncleo del reactor, hasta la salida en bornes del generador elctrico slo hay un 30 % de rendimiento). Problemas de seguridad, que se deben al riesgo determinado por las radiaciones y , y los neutrones procedentes de la los productos de fisin, creados en el interior del reac- tor, o en los envases de uranio. Tales radiaciones persisten mucho tiempo despus de que el reactor deje de funcionar e incluso despus de descargar los elementos combusti- bles; por tanto, el personal encargado debe trabajar protegido y utilizando servomeca- nismos a distancia. El reactor debe asimismo estar protegido y blindado por paredes de hormign, lo que incrementa su peso y dimensiones, representando una gran dificultad para proyectar un ingenio nuclear mvil (barcos, aviones, etc.). Por otra parte, los lquidos y los gases que circulan a travs del reactor (refrigerantes) corren el riesgo probable de convertirse en radiactivos y, por tanto, todo el equipo debe ser estanco para evitar cualquier escape. Finalmente, los residuos slidos (cenizas radiactivas) deben ser almacenados en bido- nes que se entierran en pozos profundos o en minas de sal. Estos procedimientos pueden constituir en el futuro un serio problema de contaminacin radiactiva si se produjesen terremotos o filtraciones. Podra decirse que el riesgo de utilizar la energa nuclear se debe al imperfecto cono- cimiento de la materia bajo las condiciones en que se encuentra en el seno de un reac- tor nuclear.
16. 16. Fsica Tema 3 16 2 Bachillerato Interaccin nuclear. Radiactividad IES Portada Alta - Luis Garrido 13.- LA ENERGA NUCLEAR EN ESPAA Espaa cuenta con un total de diez instalaciones nucleares: Seis centrales Almaraz I y II (Cceres), Asc I y II (Tarragona), Vandells II (Ta- rragona), Cofrentes (Valencia), Sta. Mara de Garoa (Burgos), Trillo (Guadalajara), - que forman un total de ocho grupos nucleares (Con reactores PWR, excepto Sta. Mara de Garoa y Cofrentes que son BWR). Una fbrica de combustible nuclear Juzbado (Salamanca) Un centro de almacenamiento de residuos radiactivos de baja y media actividad en El Cabril (Crdoba). Estructura de la produccin de electricidad en Espaa en 2010 Elica 15% Hidrulica 13% Fsil 35% Nuclear 21% Biomasa y solar 16%